1209

31

Рисунок 4.4 – Аппроксимация проходных и выходных характеристик

Аналитическая запись для выходных характеристик соответственно имеет вид:

где S – крутизна проходной характеристики iВЫХ(uВХ); SГР – крутизна линии граничного (критического) режима, разделяющей области I и II на вольт-

амперных характеристиках iВЫХ(uВЫХ); E – напряжение отпирания на харак-

ВХ

теристиках iВЫХ(uВХ); напряжения uВЫХ.ГР и uВХ.ГР связаны равенством

S u S u E .

ГР ВЫХ.ГР ВХ.ГР ВХ

В реальных ЭП (особенно электровакуумных триодах) влияние выходного напряжения на ток iВЫХ заметно даже в области I, что отражается на выходных характеристиках в виде их наклона по отношению к оси абсцисс. Учет влияния выходного напряжения ЭП производится путем введения проницаемости D, определяемой [5] как D=1/μ при iВЫХ = const. Здесь μ – стати-

ческий коэффициент усиления по напряжению.

С учетом этого получаем:

iВЫХ = S(uВХ + DuВЫХ – EВХ0);

Хотя значение проницаемости D для современных ЭП невелико (для триодов D 0.05…0.1, а для пентодов и лучевых тетродов D 0.005…0.01),

32

при больших мощностях и соответственно больших значениях выходного напряжения пренебрежение проницаемостью может привести к значительным погрешностям в определении режима, особенно входной цепи ГВВ.

Следует отметить, что в общем случае крутизна характеристик входного SВХ и выходного S токов могут быть различными. Так, для биполярных

транзисторов SВХ << S.

В современных пентодах, лучевых тетродах и транзисторах статические характеристики iВЫХ(uВХ) при малых токах сливаются практически в одну, что вносит определенные трудности при аппроксимации и при расчете входной цепи ГВВ. Это весьма существенно для мощных ГВВ, выполненных на мощных тетродах или пентодах, для которых режим сеточной цепи является определяющим фактором, ограничивающим использование ЭП по мощности.

Наиболее простой метод анализа работы ГВВ с различными ЭП основывается на использовании простейшей аппроксимации СХ, которая называется идеализацией. Эта аппроксимация выполняется по следующим правилам:

1.Каждая из СХ заменяется отрезками прямой, которые наиболее точно аппроксимируют участки статических характеристик с наименьшей крутизной.

2.Линия граничного режима аппроксимируется в соответствии с п. 1 отрезком прямой.

3.В тех областях, где семейство СХ расходится веерообразно из одной точки, все СХ аппроксимируются одним отрезком прямой, который является аппроксимацией СХ в середине веера.

4.В активной области все отрезки аппроксимирующих прямых должны быть параллельны и находиться на одинаковом расстоянии друг от друга, если перепады между напряжениями, при которых снимались СХ, одинаковы.

Следует заметить, что, поскольку СХ токов управляющих сеток триодов и тетродов и тока экранирующей сетки тетрода существенно нелинейны, их обычно не идеализируют. Имеющиеся методы расчета параметров цепей этих сеток очень просты и дают достаточно точные для инженерных расчетов результаты.

Хотя кусочно-линейная аппроксимация кажется довольно грубой, но, тем не менее, ее точность достаточна для выполнения энергетических оценок

иинженерных расчетов генераторов. Более сложная и точная аппроксимация обычно применяется при компьютерном проектировании генераторов, анализе нелинейных искажений сигнала и основана на использовании электрических моделей генераторных приборов.

При использовании идеализированных характеристик для анализа ГВВ на транзисторах следует учитывать, что результаты анализа имеют достаточную точность для БТ лишь в области низких частот (десятки – сотни килогерц), для ПТ – в диапазоне ниже 50...60 МГц, а для ПТ с барьером Шоттки – ниже нескольких гигагерц.

33

4.5Динамические характеристики и режимы работы ГВВ

Динамические характеристики в отличие от статических определяют функциональную связь токов ЭП с напряжениями на его электродах при одновременном изменении uВХ и uВЫХ. Причем, так как в реальном ГВВ в выходную цепь включено сопротивление нагрузки RЭН, то изменение входного напряжения uВХ вызывает не только соответствующее изменение тока iВЫХ, но и выходного напряжения uВЫХ, что в свою очередь может привести при определенных условиях к изменению входного тока iВХ. Степень влияния напряжений uВХ и uВЫХ на токи iВЫХ и iВХ различна в зависимости от рассматриваемой области рабочих характеристик ЭП и связана с напряженностью режима ГВВ. Существующая функциональная связь между напряжениями uВХ(t) и uВЫХ(t) и одновременная их зависимость от параметра t позволяют опреде-

лить iВЫХ (или iВХ) как функцию лишь одного из них (uВХ или uВЫХ). При гармоническом характере изменений напряжений uВХ и uВЫХ:

где UН = I1 ВЫХRЭН.

При работе ГВВ в области линейного усиления (область I – недонапряженный режим) из (4.8), (4.8а) с учетом п. 4.4 следует:

подставить в (4.9) и проделать необходимые преобразования, то получим уравнения динамической характеристики выходного тока в системах коорди-

нат iВЫХ(uВХ) и iВЫХ(uВЫХ):

Выражения (4.10) и (4.11) показывают, что динамические характеристики представляют собой прямые линии, крутизна которых в области I определяется коэффициентами, стоящими перед uВХ в (4.10) и uВЫХ в (4.11), соответственно.

Во входной системе координат iВЫХ(uВХ) крутизна динамической характеристики:

37

ражения (4.4) – (4.6) и условие гармонического режима, после несложных

После интегрирования (4.16) и последующего нормирования к максимальному значению импульса тока получим следующую систему коэффициентов:

Назначение коэффициентов n( ) будет пояснено ниже.

Зависимости коэффициентов разложения косинусоидального импульса

формы тока первой гармоники, значение которого также зависит только от угла отсечки . Отрицательные значения коэффициентов n (например, 3)

для некоторых значений 90 < < 180 указывают, что для этих углов отсечки

n = .

39

мы составляющих простых импульсов, из которых слагается сложный импульс, поскольку преобразование Фурье есть линейный оператор. Так, для представленного на рисунке 4.8 импульса I выходного тока ЭП с нижним углом отсечки и максимальным значением ImВЫХ постоянную составляющую IВЫХ0 и амплитуду первой гармоники IВЫХ1 можно определить как алгебраическую сумму составляющих вспомогательных усеченных косинусоидальных импульсов 1, 2, 3:

IВЫХ 0(I) = IВЫХ 0(1) + IВЫХ 0(2) + IВЫХ 0(3);

IВЫХ 1(I) = IВЫХ 1(1) + IВЫХ 1(2) + IВЫХ 1(3).

Рисунок 4.8 – Форма импульсов выходного тока в области II

Значения параметров составляющих импульсов (углы отсечки и 1 и максимальные значения I1, I2, I3) определяются режимом ЭП и находятся в результате расчета:

I1 = S(UВХ – DUВЫХ)(1 – cos );

В сильноперенапряженном режиме провал в импульсе выходного тока может не только достигнуть оси абсцисс iВЫХ(t = 0) = 0, но при дальнейшем увеличении напряженности режима привести к раздвоению импульса и появлению внутреннего нижнего угла отсечки 2. Гармонический анализ импульсов выходного тока в этом случае проводится по методике, рассмотренной ранее.

Однако в практике построения ГВВ сильноперенапряженный режим встречается довольно редко, его в большинстве случаев стремятся избежать. В транзисторных усилителях мощности (УМ) такой режим недопустим.

40

4.7Нагрузочные характеристики ГВВ

Под нагрузочными характеристиками ГВВ понимают зависимости токов, напряжений, мощностей, КПД и других показателей ГВВ от эквивалентного сопротивления нагрузки, определяемого входным сопротивлением выходной цепи при неизменных значениях напряжений источников питания входной и выходной цепей, а также напряжения возбуждения.

Нагрузочные характеристики позволяют не только оценить показатели ГВВ при изменении параметров нагрузки, но и произвести его настройку, достигнув оптимальных характеристик.

Одной из простейших согласующих цепей является параллельный колебательный контур с достаточно высокой добротностью, включенный в выходную (анодную или коллекторную) цепь ГВВ (рис. 4.9). При этом контур обеспечивает не только согласование генератора с нагрузкой на резонансной частоте, но и малое сопротивление для высших гармоник тока iВЫХ t ,

вследствие чего форма напряжения на нагрузке становится близкой к гармонической.

Рисунок 4.9 – ГВВ на электронной лампе (пентоде) с резонансной нагрузкой